Search

Starenje ljudi je prirodan biološki proces i često je popraćen oštećenjima i bolestima koštanog tkiva koje je moguće liječiti. Inženjerstvo koštanog tkiva temelji se na primjeni nosača za poticanje obnove kosti pomoću okolnog tkiva, ili primjeni nosača kao „predloška za isporuku“ ugrađenih koštanih stanica i tkiva dobivenih in vitro. Nosač za primjenu u inženjerstvu koštanog tkiva mora biti biokompatibilan i netoksičan, treba oponašati visokoporoznu strukturu prirodne kosti, imati odgovarajuća mehanička svojstva te pritom podržavati rast stanica i obnovu koštanog tkiva. Nosač mora imitirati prirodno koštano tkivo koje je građeno od karbonatnog hidroksiapatita s manjkom kalcijeva iona te organske matrice. Kalcijevi fosfati pripravljeni iz prirodnog izvora (ljuske jajeta, školjke, sipina kost, koralji) pokazuju fizikalno-kemijska svojstva slična prirodnom mineralnom tkivu te su bolje prihvaćeni od strane ljudskog tijela u odnosu na materijale dobivene iz sintetskih izvora. Zbog mogućeg štetnog utjecaja faktora rasta korištenih u regenerativnoj medicini, današnja istraživanja se usmjeruju na supstituciju kalcijevih fosfata metalnim ionima koji imaju slično djelovanje kao faktori rasta te se prirodno nalaze u koštanom tkivu. Kako bi se omogućila regeneracija koštanog tkiva, potrebno je pripraviti nosač visokoporozne strukture čija je brzina razgradnje jednaka brzini obnove koštanog tkiva. U ovom doktorskom radu pripravljeni su kalcij-fosfatni sustavi supstituirani (0, 1, 5 i 10 mol%) sa stroncijevim (Sr2+), selenitnim (SeO3 2-), magnezijevim (Mg2+) i cinkovim (Zn2+) ionima metodom precipitacije primjenom prirodnog prekursora kalcijevih iona. Kako bi se ispitala toplinska stabilnost, uzorci su toplinski obrađeni na 1200 °C. Mineraloški sastav sintetiziranih i žarenih kalcij-fosfatnih sustava određen je rendgenskom difrakcijskom analizom koja potvrđuje nastajanje hidroksiapatita (HAp) i oktakalcijeva fosfata pentahidrata (OCP). Pomoću računalnog programa DIFFRAC.SUITE TOPAS V.5.0 određeni su parametri elementarnih ćelija i faktor zauzetosti kalcijevih atoma u kristalnoj rešetci HAp-a, OCP-a i β-trikalcijeva fosfata (β-TCP), koristeći Rietveldovu metodu utočnjavanja. Morfologija nastalih kalcijevih fosfata istražena je pretražnim elektronskim mikroskopom (SEM) i pokazuje smanjenje veličine kristala kao posljedicu supstitucije metalnim ionima. Kemijski sastav ispitan masenom spektroskopijom s induktivno spregnutom plazmom potvrđuje prisutnost metalnih iona u kalcij-fosfatnim fazama. In vitro test topljivosti uzoraka ispitan u simulirajućem biološkom mediju ukazuje na bolju topljivost materijala pripravljenih iz prirodnog izvora i supstituiranih metalnim ionima nego li onih pripravljenih iz sintetskog izvora. Pri simulirajućim biološkim uvjetima dolazi do transformacije manje stabilnih faza OCP-a i amorfnog kalcijevog fosfata u termodinamički stabilniji HAp, slično procesima u prirodnom koštanom tkivu. Pripravljene su visokoporozne strukture (nosači) na temelju kitozana i HAp-a supstituiranog metalnim ionima (Sr2+, Mg2+, Zn2+ i SeO3 2-) metodom toplinski inducirane fazne separacije uz naknadno geliranje i ekstrakciju. SEM analizom potvrđena je visokoporozna struktura s poroznošću > 70 % i veličinom pora u rasponu 50 ‒ 250 μm. Analiza citotoksičnosti i vijabilnosti ljudskih embrionalnih bubrežnih stanica potvrđuje necitotoksičnost ispitanih nosača te dobru vijabilnost nasađenih stanica. Diferencijacija ljudskih matičnih stanica iz koštane srži u koštane stanice na pripravljenim nosačima potvrđena je određivanjem ekspresije gena (alkalna fosfataza, koštani sijaloprotein i protein dentalnog matriksa) metodom lančane reakcije polimerazom u stvarnom vremenu. The aging of the human population results in frequent damage and diseases of bone tissue and it is a challenge to meet their treatment needs. Bone tissue engineering is based on the use of a scaffold to stimulate bone growth of surrounding tissue or the use of a scaffold as a template for delivery of pre-seeded bone cells and tissue obtained in vitro. The scaffold has to be biocompatible and non-toxic, it should mimic the highly porous structure of natural bone, have suitable mechanical properties, while supporting cell growth and tissue regeneration. The scaffold must mimic natural bone tissue that is composed of carbonated calcium-deficient hydroxyapatite and organic matrix. Calcium phosphates prepared from a natural source (e.g. eggshells, shells, cuttlefish bone, corals) exhibit similar physicochemical properties to natural bone mineral and are better accepted by the human body compared to calcium phosphates obtained from a synthetic source. Due to the potential negative effect of growth factors used in regenerative medicine, studies are focused on the calcium phosphate substitutions with metal ions present in bone tissue, which have a similar effect as growth factors. In order to allow bone tissue regeneration, scaffolds should have a highly porous structure with a degradation rate similar to bone tissue regeneration that can be obtained by using polymers. In this doctoral thesis, calcium phosphates substituted (0, 1, 5 i 10 mol%) with strontium (Sr2+), selenite (SeO3 2-), magnesium (Mg2+) and zinc (Zn2+) ions have been prepared by using wet precipitation method from the biogenic source. In order to determine thermal stability, prepared calcium phosphates have been heat treated at 1200 °C. Phase analysis of as-prepared calcium phosphate, determined by X-ray diffraction analysis, confirmed precipitation of hydroxyapatite (HAp) and octacalcium phosphate pentahidrate (OCP). The software DIFFRAC.SUITE TOPAS V.5.0 was employed for Rietveld refinements to determine cell parameters and occupancy factors of HAp, OCP and β-tricalcium phosphate (β-TCP). The morphology of the substituted calcium phosphates crystals, determined by the scanning electron microscope (SEM), indicates a decrease in crystal size due to substitution with metal ions. The chemical composition of the as-prepared powders determined by inductively coupled plasma mass spectroscopy confirms the substitution of metal ions in the crystal lattice of the precipitated calcium phosphates. The in vitro solubility test of the samples tested in the simulating biological solution indicates a better solubility of materials prepared from biogenic sources and substituted with metal ions than the samples prepared from a synthetic source. Under simulating biological conditions, the unstable OCP and amorphous calcium phosphate transformed into thermodynamically more stable HAp as it occurs in natural bone tissue. Highly porous structures (scaffolds) based on chitosan and hydroxyapatite substituted with metal ions (Sr2+, Mg2+, Zn2+ and SeO3 2-) were prepared via freeze gelation technique. A highporous structure with a porosity of > 70 % and pore size in the range of 50 ‒ 250 μm was confirmed by SEM. Cytotoxicity and viability assay performed on human embryonic kidney cells has confirmed non-cytotoxicity and good proliferation of seeded cells. Differentiation of human bone marrow stem cells to osteoblast cells has been confirmed by the expression of osteogenic genes (alkaline phosphatase, bone sialoprotein and dental matrix protein) determined by real-time polymerase chain reaction.

Inženjerstvo koštanog tkiva je brzo rastuće područje istraživanja kojemu je cilj pripraviti koštanu okosnicu koja što bolje oponaša prirodno koštano tkivo. Pripravljeni materijal mora zadovoljiti sve tražene uvjete, kao što su biokompatibilnost, bioaktivnost, osteoinduktivnost, biorazgradivost, ne smije biti toksičan i izazivati upalne reakcije, te mora pružati dobru mehaničku potporu. Nadalje, mora biti slične strukture i kemijskog sastava kao i ljudska kost. Jedan od potencijalnih materijala je visokoporozna kompozitna okosnica na temelju kitozana i hidroksiapatita (CS/HAp), koja zadovoljava tražene uvjete. Stoga je cilj ovog rada sintetizirati hidroksiapatit iz biogenih izvora, koji sadrže elemente u tragovima od ključne važnosti za rast koštanog tkiva, a zatim iz pripremljenog hidroksiapatita iz različitih biogenih izvora i kitozana pripremiti kompozitne okosnice. Kao biogeni izvori korištene su ljuske jajeta, sipina kost i ljušture školjaka. Dobiveni hidroksiapatit pripremljen je metodom kemijskog taloženja, a karakteriziran je infracrvenom spektroskopijom s Fourierovim transformacijama (FTIR) i rendgenskom difrakcijskom analizom (XRD). Dobiveni difraktogrami analizirani su Rietveldovom metodom utočnjavanja pomoću računalnog programa DIFFRAC. SUITE TOPAS V.5.0. Morfologija kristala ispitana je pretražnim elektronskim mikroskopom (SEM), a kemijski sastav uzoraka određen je pomoću masene spektroskopije s induktivno spregnutom plazmom (ICP-MS). Pripremljeni uzorci hidroksiapatita umiješani su u polimernu matricu kitozana (CS/HAp) te su pripremljene visokoporozne kompozitne okosnice metodom „smrzavanje-geliranje“. Dobivene kompozitne okosnice karakterizirane su FTIR metodom, a morfologija je istražena SEM analizom. Biološka karakterizacija okosnica provedena je mjerenjem citotoksičnosti okosnica na ljudskim embrionalnim bubrežnim stanicama tijekom 3 dana, te određivanjem životne aktivnosti nasađenih stanica tijekom 7 dana. Utvrđeno je da se pripremljeni praškasti uzorci sastoje od hidroksiapatitna i amorfne faze, te da je prisutna supstitucija Sr2+, Mg2+ i Na+ ionima. Dobivene okosnice CS/HAp visokoporozne su strukture povezanih pora, a kristali HAp-a homogeno su raspoređeni unutar matrice kitozana. Visoka vijabilnost stanica upućuje na necitotoksičnost uzoraka, te dobru životnu aktivnost stanica tijekom 7 dana. The main goal of bone tissue engineering is to synthesize a material that mimics natural bony tissue, respectively its structure and chemical composition. A potential material is a chitosan/hydroxyapatite (CS/HAp) composite scaffold, due to its properties, such as biocompatibility, bioactivity, osteoinductivity, biodegradability and mechanical support. The aim of this study is to synthesize biomimetic hydroxyapatite from biogenic sources, which contain various trace elements crucial for bone growth, and prepare composite scaffolds based on HAp powders and chitosan. As biogenic sources, hen eggshells, cuttlefish bone and seashells were used. HAp powders were prepared by wet precipitation method, while their composition was determined by Fourier-transform infrared spectroscopy and X-ray diffraction (XRD) analysis. Crystal morphology was studied by scanning electron microscopy (SEM) and chemical composition of powders was determined by coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). Prepared powders have been dispersed into chitosan matrix, and composite CS/HAp scaffolds were prepared by freeze-gelation technique. Obtained CS/HAp scaffolds were analysed by FTIR, while morphology was studied by scanning electron microscopy. Biological evaluation of composite scaffolds was also conducted, by MTT and Live/dead assay. It was found that prepared powders are composed of hydroxyapatite (HAp) and amorphous calcium phosphate (ACP). Substitution with trace elements (Sr2+, Mg2+ i Na+) occured, as a result of using biogenic sources as precursors of Ca2+ ions. The structure of CS/HAp scaffolds was highly porous, with well interconnected pores and HAp crystals homogeneously dispersed in chitosan matrix. MTT assay has shown no toxicity of CS/HAp scaffolds, while Live/dead assay has shown good viability and proliferation of seeded cells.

Cilj ovog rada je priprava kompozitnih mikrosfera na temelju kitozana i hidroksiapatita kao nosioca i dostavljača antitumorskog lijeka. Kod kitozana je nužno naglasiti svojstvo pH osjetljivosti koje bi omogućilo otpuštanje lijeka u neposrednoj blizini tumora. Međutim, kitozan može otpuštati lijek i prije dolaska na ciljano mjesto, stoga su kompozitni materijali pogodni za kontrolirano otpuštanje i dostavu lijeka. U ovome radu kompozitne mikrosfere su proizvedene metodom elektroštrcanja. Kompozitne mikrosfere pripravljene pri različitim udjelima hidroksiapatita (5 – 15%) s ciljem povećanja efikasnosti buduće inkapsulacije lijeka. Stabilnost mikrosfera postignuta je reakcijama kompleksiranja prijelaznih metala (bakra, odnosno, cinka) s makromolekula kitozana uslijed velikog afiniteta metalnih iona prema aminskim skupinama kitozana. Oblik, veličina i mikrostruktura mikrosfera istraženi su optičkim i pretražnim elektronskim mikroskopom, dok je sastav mikrosfera identificiran rendgenskom difrakcijskom analizom. Potvrđeno je da tijekom sinteze kompleksa kitozana i metalnih iona, odnosno, kompozita s metalnim ionima nisu nastali novi anorganski spojevi. Mikroskopska analiza ukazala je na visoko poroznu mikrostrukturu kompozitnih mikrosfera pripravljenih s cinkovim (II) ionima. Preliminarni test citotoksičnosti pokazao je da dodatak hidroksiapatita ne utječe na toksičnost uzoraka. Kompozitni materijali s bakrovim (II) ionima pri svim ispitivanim koncentracijama pokazali su određenu citotoksičnost koja je izraženija pri većoj koncentraciji bakrovih (II) iona. Nasuprot tome, kompozitni materijali s cinkovim (II) ionima nisu toksični za ispitivanu staničnu liniju. The aim of this work was to prepare composite microspheres based on chitosan and hydroxyapatite as potential carriers for targeted antitumor drug delivery. It is important to highlight the pH sensitivity of chitosan, which allows trgeted drug release around tumor site. However, chitosan can release a drug before reaching the targeted site, hence, chitosan-based composite materials could be more suitable in order to increase stability of potential drug carrier. In this work, composite microspheres were synthesized via electrospraying process. The composites microspheres were prepared with different ratio of hydroxyapatite in chitosan solution (5 – 15%) in order to improve the efficiency of the future drug encapsulation. The stability of composite microspheres was achieved through chelation of transition metal ions (copper and zinc) by chitosan macromolecules due to the high affinity of metal ions towards chitosan amino groups. The shape, size and microstructure of composite microspheres were analyzed by optical microscopy and SEM analysis, while the materials composition was identified by XRD analysis. The presence of new crystalline phases within chitosan complexes and composites with metal ions was not observed. The microscopic analysis has indicated highly porous structure of composite microspheres prepared by zinc (II) ions. The preliminary cytotoxicity assay indicated that hydroxyapatite do not influence on materials toxicity. The composites with different concentration of copper (II) ions showed cytotoxic effect, which was more evident for the materials with higher copper (II) ions concentration. On the contrary, composites with zinc (II) ions were nontoxic for cultured cell line.

Inženjerstvo koštanog tkiva je interdisciplinarno područje usmjereno na razvoj biomaterijala za izradu trodimenzijskih okosnica koje oponašaju prirodno koštano tkivo. Okosnica se ugradnjom na oštećeno područje kosti sjedinjuje s okolnim tkivom, potiče njegovu regeneraciju, te se istovremeno razgrađuje i osigurava mjesto za rast novog koštanog tkiva. Okosnice koje oponašaju prirodno koštano tkivo izrađene su iz organsko-anorganskih kompozitnih materijala po uzoru na prirodno koštano tkivo koje se sastoji od istih. Organsku fazu čini izvanstanična matrica većinski građena od kolagena, koju zbog strukturalne sličnosti najčešće oponašaju prirodni polimeri. Hidroksiapatit je glavna anorganska komponenta koštanog tkiva, zbog čega se koristi kao anorganska faza u izradi okosnica. Biološki hidroksiapatit u svojoj strukturi sadrži elemente u tragovima koji su neophodni za metabolizam kosti i organizam. Mnoga istraživanja usmjerena su na dopiranje hidroksiapatita cinkovim ionom koji ima antibakterijska svojstava te pozitivno utječe na aktivnost osteoblasta i regeneraciju tkiva. U ovom radu su pripremljeni uzorci cinkovim ionom dopiranog hidroksiapatita (0, 1, 5 i 10 mol% cinka) metodom precipitacije. Sinteza je provedena korištenjem prekursora kalcijevih iona iz biogenog i sintetskog izvora. Sastav uzoraka, prije i nakon toplinske obrade, utvrđen je rendgenskom difrakcijskom analizom i infracrvenom spektroskopijom s Fourierovim transformacijama. Sintezom iz biogenog izvora nastaje dvofazni sustav hidroksiapatita i oktakalcij fosfata, dok iz sintetskog izvora jednofazni sustav hidroksiapatita. Nakon toplinske obrade uzoraka nastaje dvofazni sustav α i ß-trikalcijev fosfata. Ugradnja cinkova iona u strukturu oktakalcij fosfata pentahidrata i ß-trikalcijev fosfata praćena je promjenama parametara elementarne rešetke. Zbog neznatnih promjena parametara elementarne rešetke hidroksiapatita, pretpostavlja se da je došlo do adsorpcije cinkova iona na površinu kristala. Dodatno, provedena je in situ sinteza cinkom dopiranog hidroksiapatita (sintetski prekursor kalcijevih iona) u polimernoj matrici kitozana. Karakterizacija dobivenih poroznih struktura provedena je infracrvenom spektroskopijom s Fourierovim transformacijama i pretražnim elektronskim mikroskopom. Bone tissue engineering is an interdisciplinary field focused on the development of biomaterials as three-dimensional scaffolds which mimic natural bone tissue. After implantation at injured site it integrates with the surrounding tissue, promotes bone regeneration, degrades and provides space for new bone tissue. The imitation of natural bone tissue is obtained by using biomaterials based on organic/inorganic materials. The organic phase is an extracellular matrix mostly composed of collagen. Due to its similarity to the extracellular matrix structure, the organic phase is often imitated by natural polymers. Hydroxyapatite is the major inorganic component of bone tissue and is often used in biomedical areas. Biological apatite contains trace elements in its structure which are essential for bone and body metabolism. Many studies have been focused on doping hydroxypatite structure with zinc ion, which is interesting because of antibacterial properties and positive effect on osteoblastic and tissue regeneration activity. In this study zinc doped hydroxyapatite (0, 1, 5 and 10 mol% zinc) was prepared by using precursors of calcium ions from biogenic and synthetic source. The composition of the samples was determined by X-ray diffraction analysis and infrared spectroscopy with Fourier transforms. From biogenic source was obtained two-phase system of hydroxyapatite and octacalcium phosphate pentahydrate, while from synthetic source one-phase system of hydrpxyapatite. After heat treatment it was obtained two-phase system of α and β-tricalcium phosphate. Decrease of cell parameters of octacalcium phosphate pentahydrate and β-tricalcium phosphate confirmed doped structures with zinc ions. However, it can be assumed that hydroxyapatite is not zinc doped and that zinc ions are adsorbed on crystal surface as cell parameter did not decrease. Additionally, in situ synthesis of zinc doped hydroxyapatite (from synthetic source) within chitosan matrix was obtained. Characterization of porous structures was determined by infrared spectroscopy with Fourier transforms and scanning electron microscopy.

Sintetička bojila u velikoj su mjeri prisutna u otpadnim vodama industrije papira, tekstila i plastike. Mnoga bojila u svojoj strukturi sadrže aromatske prstene, što ih čini otrovnim i kancerogenim. S ciljem smanjenja rizika od onečišćenja okoliša, potrebno je tretiranje otpadnih voda prije ispusta u okoliš. Postoji nekoliko metoda koje se primjenjuju za uklanjanje bojila iz obojenih otpadnih voda poput koagulacije, oksidacije, adsorpcije, membranske filtracije i biološke obrade. Između tih tehnika, adsorpcija je okarakterizirana kao jedna od najučinkovitijih metoda zbog svoje jednostavnosti, isplativosti i energetske učinkovitosti. Iako postoje brojni nekonvencionalni jeftini adsorbensi koji se primjenjuju za uklanjanje bojila, velika je pozornost usmjerena prema polisaharidima poput kitozana. Ovaj biokompatibilni polimer posjeduje nekoliko karakteristika koje ga čine učinkovitim adsorbensom za uklanjanje bojila. U ovom radu pripravljeni su materijali na temelju kitozana kao polimerne biokompatibilne i biorazgradljive matrice i hidroksiapatita kao anorganske faze. Porozna struktura kitozana te kompozita postignuta je metodom toplinski inducirane fazne separacije uz geliranje i ekstrakciju. Sastav pripravljenih nosača utvrđen je rendgenskom difrakcijskom analizom i infracrvenom spektroskopijom s Fourierovim transformacijama. Morfologija materijala istražena je pomoću pretražnog elektronskog mikroskopa. Materijalima je određena poroznost, stupanj bubrenja te Youngov modul elastičnosti. Kitozan i njegov kompozit te aktivni ugljen kao kontrolni adsorbens korišteni su za uklanjanje bojila Congo Red iz vodene otopine. Provela se kinetička analiza adsorpcije i usporedila s kinetičkim modelima koji uobičajno opisuju proces adsorpcije. Regeneracija korištenih nosača se provela s ciljem ponovne upotrebe materijala nakon adsorpcije bojila. Synthetic dyes widely exist in the wastewaters of industries such as textiles, paper and plastics. Many dyes contain aromatic rings in their structures, which make them toxic and carcinogenic. In order to reduce risk of environmental pollution, it is necessary to treat the wastewaters before releasing them into the environment. There are several methods for dyes removal from colored wastewaters such as coagulation, oxidation, adsorption, membrane filtration and biological treatment. Among these techniques, adsorption is characterized as one of the most effective methods due to it's simplicity, cost and energy efficiency. There are numerous non-conventional low-cost adsorbent materials that are used for dye removal, however, special attention has been given to polysaccharides such as chitosan. This biocompatible polymer possesses several characteristics that make it an effective biosorbent for dye removal. Materials based on chitosan as biocompatible and biodegradable matrix and hydroxyapatite as inorganic phase were prepared in this study. Porous structures of chitosan and its composite has been obtained by freeze-gelation method. The composition of prepared scaffolds was carried out by X-ray diffraction analysis and Fourier-transform infrared spectroscopy. The morfology of materials was imaged by scanning electron microscopy. Chitosan and its composite and activated carbon as control adsorbent have been used as the adsorbents for removal of Congo Red dye from aqueous solution. The analysis of adsorption kinetics was carried out while behaviour of dye removal was evaluated by kinetic models that usually describe adsorption process. In order to reuse the materials after adsorption of Congo Red, regeneration of pre-adsorbed scaffolds was done.

Cilj rada bila je priprava visokokoporoznog silicijem dopiranog hidroksiapatit-kitozan kompozitnog materijala za potencijalnu primjenu u inženjerstvu koštanog tkiva. Inženjerstvo tkiva je interdiscplinarno područje koje primjenjuje načela prirodnih znanosti i inženjerstva usmjereno razvoju bioloških nadomjestaka za obnovu, održavanje ili unaprjeđenje funkcije oštećenog tkiva. U inženjerstvu koštanog tkiva koriste se biorazgradljivi polimerni materijali i bioaktivna keramika, kao što je hidroksiapatit. Također, silicij ima vrlo važnu ulogu u mineralizaciji i formiranju kosti, stoga se danas koristi u širokom području medicinskih nadomjestaka i koštanih graftova. Hidrotermalnom pretvorbom aragonita iz sipine kosti, pri 200 °C kroz 72 h, pripravljen je silicijem supstituirani hidroksiapatit (Si-HA) s potpuno očuvanom mikrostrukturom. Nadalje, visokoporozni kompozitni materijal, Si1%-HA/kitozan, dobiven je tehnikom vakuumske impregnacije. Karakterizacija pripravljenih materijala utvrđena je instrumentalnim metodama: infracrvena spektroskopija s Fourierovom transformacijom, (FTIR), kvalitativna mineralna rendgenska difrakcijska analiza (XRD), termogravimetrijska analiza, (TGA) i pretražna elektronska mikroskopija (SEM). FTIR spektri uzorka hidroksiapatita i Si-HA različitog masenog udjela silicija pokazuju smanjenje intenziteta fosfatnih, karbonatnih i hidroksilnih skupina s povećanjem udjela dodanog silicija što može ukazivati na ugradnju SiO4 4- tetraedara na mjesto PO4 3- tetraedara. XRD analiza potvrđuje nastanak HA kao jedine prisutne mineralne faze nakon hidrotermalne reakcije. TGA metodom potvrđena je prisutnost kitozana od oko 10 mas.%, a SEM mikrografija analiziranih kompozitnih uzoraka prikazuje lamelarnu strukturu sipine kosti prevučenu tankim filmom kitozana nakon impregnacije 2%-tnom otopinom kitozana. The aim of this work was preparation of highly porous silicon doped hydroxyapatitechitosan composite materials with potential application in bone tissue engineering. Tissue engineering is an interdisciplinary field that applies the principles of engineering and the life sciences toward the development of biological substitutes that restore, maintain, or improve tissue function. Biodegradable polymeric materials and bioactive ceramics, such as hydroxyapatite, are used in bone tissue engineering. Also, silicon plays an important role in bone mineralization and formation and is therefore incorporated into a wide variety of medical implants and bone grafts used today. Silicon-substituted hydroxyapatite (Si-HA) was prepared successfully by hydrothermal transformation of aragonitic cuttlefish bone at 200 °C during 72 h with a fully preserved original microstructure. Next, a highly porous composite material, Si1%-HA/chitosan, was obtained using the vacuum impregnation technique. Characterization of prepared composite material was carried out by instrumental methods: Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD), Thermogravimetric analysis (TGA) and Scanning electron microscopy (SEM). FTIR spectra of HA and Si-HA with different content of silicon, show the decrease in intensity of phosphate, carbonyl and hydroxyl groups with silicon content increased. The decrease in intensity may confirm successful substitution of SiO4 4- for PO4 3-. XRD analysis confirms occurrence of HA as the only present mineral phase after hydrothermal reaction. TGA analysis showed that the Si1%-HA/CS composite contain 16 wt.% of chitosan. SEM micrographs of the analyzed composite materials show the lamellar structure of cuttlefish bone coated with 2 w/v.% solution of chitosan.

Cilj rada bio je priprava kompozitnog materijala na temelju hidroksiapatita supstituiranog magnezijem i biorazgradivih polimera za potencijalnu primjenu u inženjerstvu koštanog tkiva. Inženjerstvo koštanog tkiva je interdisciplinarno područje koje razvija 3D strukture, okosnice, koje služe kao predložak za rast novog tkiva, a sve s ciljem obnavljanja, zamjene ili poboljšanja funkcije oštećenih kosti. S obzirom da je prirodno koštano tkivo kompozitni materijal anorganskog hidroksiapatita i organskog kolagena, razvijanje okosnica ide u smjeru oponašanja prirodnog tkiva, odnosno korištenje bioaktivne keramike i biorazgradivih polimera. Provedena je ugradnja Mg2+ iona u strukturu hidroksipatatita hidrotermalnom konverzijom sipine kosti, pri čemu je kao izvor magnezijevih iona korišten magnezijev perklorat – Mg(ClO4)2. Pripravljeni su kompozitni materijali Mg-HA i PCL/CS metodom vakuumske impregnacije za uzorke s udjelom magnezija od 1 mol.%. XRD analiza potvrđuje nastanak nove faze koja je identificirana kao vitlokit i/ili Mg/β-TCP kao posljedica supstitucije kalcija magnezijem u strukturi HA. Zaključeno je da je hidrotermalnom sintezom dobiven dvofazni sustav kojeg čine HA i vitlokit pri nižim koncentracijama magnezija (1 i 3 mol.%), dok pri većoj koncentraciji (5 mol.%) koegzistiraju HA i Mg/β-TCP. FTIR spektri uzoraka s različitim udjelom magnezija pokazuju smanjenje inteziteta fosfatnih, karbonatnih i hidroksilnih skupina. TGA metodom pokazano je blago smanjenje termičke stabilnosti HA povećanjem udjela magnezija, a udio PCL-a i kitozana u kompozitu iznosi 2,49 mas.%. SEM mikrografi hidroksiapatita pokazuju da je originalna arhitektura sipine kosti u potpunosti očuvana i nakon hidrotermalne reakcije. Povećanjem udjela magnezija, početne sferične čestice čistog HA se smanjuju. Povećanjem udjela magnezija, čestice HA potpuno gube svoju početnu sferičnu formu i tvore aglomerate zajedno s novonastalim fazama. Mikrografi kompozitnih uzoraka pokazuju da na površini materijala postoji tanki polimerni film koji prekriva HA čestice. The aim of this work was to prepare composite material based on magnesium-substituted hydroxyapatite and biodegradable polymers for potential use in bone tissue engineering. Bone tissue engineering is an interdisciplinary field that develops 3D structures, scaffolds, which serve as a template for the growth of new tissue, intended to restore, replace or improve damaged tissues. Since natural bone tissue is a composite material of inorganic hydroxyapatite and organic collagen, materials based on bioactive ceramics and biodegradable polymers have gained much attention in developing scaffolds for bone tissue engineering. By hydrothermal conversion of aragonite from the cuttlebone at 200 °C for 48 h magnesium-substituted hydroxyapatite (Mg-HA) was prepared, using magnesium perchlorate as a source of magnesium. Composite materials of Mg-HA and PCL/CS were prepared using vacuum impregnation technique. Quantitative XRD analysis showed the existence of a two-phase system consisting of HA and whitlockite at lower magnesium concentrations (1 and 3 mol.%), while HA and Mg/β-TCP phase coexist at higher magnesium concentrations (5 mol.%). FTIR spectra of the samples showed a decrease in the intensity of phosphate, carbonate and hydroxyl groups with increased magnesium content. TGA analysis showed a slight decrease of thermal stability of HA when increasing the magnesium content, and that the composite samples contain 2.49 wt. % of the polymer. SEM micrograph of hydroxyapatite shows that the original architecture of the cuttlebone is completely preserved after hydrothermal reaction. By increasing the magnesium content, the spherical particles of pure HA gradually lose their initial shape and form agglomerates at 5 wt.% of added magnesium. Micrographs of the composite samples show a thin polymer film covering the HA particles.

Principi inženjerstva koštanog tkiva temelje se na razvoju 3D struktura, okosnica, koje služe kao predložak za adheziju i proliferaciju stanica, odnosno stvaranje novog koštanog tkiva. Ugrađena u tijelo, takva okosnica se povezuje s okolnim koštanim tkivom i na taj način obnavlja ili zamjenjuje oštećenu kost. Da bi oponašala prirodno koštano tkivo okosnica mora ispuniti niz zahtjeva, stoga je izuzetno važan odabir materijala okosnice te se kao rješenje, po uzoru na prirodnu kost, nameće primjena biorazgradivih polimera i hidroksiapatitne keramike. Kombinacija polimerne i keramičke faze kompozitnom materijalu daje novi spektar svojstava koja su bliže željenim svojstvima okosnice nego što to ima svaka faza pojedinačno. U ovom radu pripravljeni su kompozitni materijali na temelju hidroksiapatita (HA) i biorazgradivog polimera kitozana (CS). Hidrotermalnom pretvorbom aragonita iz sipine kosti pri 200 °C i 72 h sintetiziran je HA s potpuno očuvanom mikrostrukturom sipine kosti. Tehnikom vakuumske impregnacije dobiven je visokoporozni kompozitni materijal HA/CS1s i HA/CS4s. SEM mikrografija analiziranih kompozitnih uzoraka prikazuje lamelarnu strukturu HA prevučenu slojem kitozana nakon impregnacije 2 %-tnom otopinom kitozana. Rezultati mjerenja DRIFT metodom ne pokazuju prisutnost karakterističnih vrpci kitozana u kompozitima zbog prekrivanja s karakterističnim vrpcama HA. TGA metodom potvrđena je prisutnost kitozana. U kompozitu HA/CS1s nađeno je 16 mas.%, a u kompozitu HA/CS4s 23 mas.% kitozana. BET metoda pokazuje da impregnirani film kitozana u kompozitnim uzorcima ima neznatan utjecaj na promjenu nanometarskih pora i specifičnu površinu u odnosu na čisti HA. The main principle of bone tissue engineering is based on the development of a 3D structure, scaffold, which serves as a template for the adhesion and proliferation of cells and the formation of the new bone tissue. Ultimately, the scaffold bonds with the surrounding bone tissue, restoring or replacing the damaged bone. In order to mimic the natural bone tissue scaffold must fulfill a series of requirements. Therefore, it is extremely important to select an adequate material for the scaffold. Imitating the natural bone tissue using a biodegradable polymer and hydroxyapatite ceramics seems to be an appropriate approach. The combination of polymer and ceramic phase gives to composite material a new set of properties, which are closer to the desired properties of the scaffold for bone tissue regeneration. In this work, a composite material based on hydroxyapatite (HA) and chitosan (CS) was prepared. HA was synthesized by the hydrothermal conversion of aragonitic cuttlefish bone at 200 °C during 72 h with a fully preserved original microstructure. Next, a highly porous composite material HA/CS1s and HA/CS4s was obtained using the vacuum impregnation technique. SEM micrographs of the analyzed composite materials show the lamellar structure of HA coated with 2 w/v.% solution of chitosan. The results obtained by DRIFT method could not exactly confirm the presence of chitosan in the composites due to the overlapping of the specific bands of chitosan and HA. Thermogravimetric analysis showed that the HA/CS1s and HA/CS4s composites contain 16 wt.% and 23 wt.% of chitosan, respectively. The BET method showed that chitosan film impregnated into the composite samples has a minor effect on the size of the pores and specific surface area compared to pure HA.

Inženjerstvo tkiva predstavlja potencijalnu alternativu za konvencionalne metode obnove koštanog tkiva. Stoga se istražuju materijali koji bi mogli zamijeniti postojeće nerazgradive materijale koji nemaju mogućnost istovremene obnove tkiva i razgradnje njih samih. "Pametni" materijali imaju mogućnost promjene fizičkih svojstva ovisno o promjeni uvjeta u kojima se nalaze. Iz tog razloga pronalaze primjenu u biomedicini i bioinženjerstvu. Temperaturno osjetljivi polimeri se u inženjerstvu tkiva koriste kao podloga za rast stanica i kao injekcijski gelovi. Injekcijski gelovi su od posebnog interesa zbog potencijalnog smanjenja operacijske invazivnosti. Injekcijski gelovi služe za dostavu stanica, hranjivih tvari i faktora rasta u trodimenzijskoj strukturi u tijelu te su dizajnirani za geliranje pri fiziološkim uvjetima. U ovom radu pripravljeni su injekcijski hidrogelovi na temelju kitozana kao polimerne biorazgradive matrice i hidroksiapatita kao bioaktivne anorganske faze. Geliranje kompozitnih hidrogelova potaknuto je raspadom natrijeva hidrogenkarbonata (NaHCO3) kao gelirajućeg agensa. Sastav hidrogelova utvrđen je rendgenskom difrakcijskom analizom i infracrvenom spektroskopijom s Fourierovim transformacijama. Morfologija hidrogelova istražena je pomoću pretražnog elektronskog mikroskopa. Smični modul pohrane i gubitka mjereni su u ovisnosti o vremenu geliranja, dok su reološka svojstva potpuno geliranog gela ispitana promjenom smične deformacije i frekvencije. Biološka karakterizacija hidrogelova provedena je mjerenjem citotoksičnosti hidrogelova na mišje stanice fibroblasta, te određivanjem životne aktivnosti mišjih fibroblasta uklopljenih u hidrogel tijekom 7 dana. Karakterizacija pripravljenih hidrogelova potvrđuje stvaranje apatitne strukture unutar matrice kitozana uz prisutnost oktakalcij fosfatne faze. Mikroskopska analiza ukazuje na visokoporoznu strukturu hidrogelova koju potvrđuje visoki udio vode od 97,5 ± 0,04%. Reološka ispitivanja pokazuju veliku početnu brzinu geliranja unutar 3 minute inkubiranja pri 37 °C, te stvaranje strukture čvrstog fizikalnog gela pri kojoj smični modul pohrane raste s porastom smične deformacije. Visoka vijabilnost stanica fibroblasta upućuje na necitotoksičnost hidrogelova. In vitro uzgajanje inkapsuliranih fibroblasta potvrdilo je dobru životnu aktivnost stanica tijekom 7 dana. Tissue Engineering is a potential alternative to the conventional methods for bone tissue regeneration. For this reason, investigated materials could replace existing non-degradable materials with no possibility of simultaneous tissue regeneration and degradation themselves. "Smart" materials have the ability to change the physical properties responding to environmental changes. Due to mentioned, they are used in biomedicine and bioengineering. Temperature sensitive polymers are used in tissue engineering as substrates for cell growth and as injectable gels. Injectable gels can be applied directly at a desired location in a minimally invasive manner. Injectable gels are used for delivery of cells, nutrients and growth factors to the three-dimensional structure in the body, and designed for gelation under physiological conditions. Injectable hydrogels based on chitosan as a biodegradable polymer matrix and hydroxyapatite as a bioactive inorganic phase are prepared in this study. Gelling of composite hydrogels has been initiated by decomposition of sodium hydrogencarbonate (NaHCO3) as a gelling agent. The hydrogels’ composition was determined by X-ray diffraction analysis and Fourier transmission spectroscopy. The morphology of hydrogels was investigated by scanning electron microscopy. Storage and loss shear modulus are determined by time sweep test, while rheological behaviour of physically cross-linked hydrogels was investigated by amplitude and frequency sweep experiments. Biological characterization was carried out by evaluation of hydrogel’s cytotoxicity on mouse fibroblast cells, and by determination of viability of mouse fibroblasts encapsulated within the hydrogel for 7 days of culture. The characterization of prepared hydrogels has confirmed hydroxyapatite formation within chitosan matrix with coexistence of octacalcium phosphate phase. Microscopic analysis reveals highly porous hydrogel’s structure confirmed by high water content of 97.5 ± 0.04%. The rheological measurements have indicated rapid thermogelling within 3 minutes of incubation at 37 °C, and formation of 'strong physical gel' with increment of shear storage modulus by shear deformation. High viability of fibroblast cells indicates non-cytotoxicity of hydrogels. In vitro culture of encapsulated fibroblasts has confirmed good cell viability during 7 days.

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2010, Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2010, Bu çalışmada, hidroksiapatit-polimer malzemelerin püskürtmeli kurutucu yardımıyla üretilmiştir. Polimer olarak polivinil alkol ve kitosan kullanılmıştır. Hidroksiapatit-Polivinil alkol kompozitleri fiziksel karıştırma ve in situ biyomimetik yöntemle üretilmişlerdir. Hazırlanan kompozitleri püskürtmeli kurutucu ve etüvde kurutularak, farklı kurutma yöntemlerinin tozlar üzerindeki etkileri incelenmiştir. Ayrıca, farklı molekül ağırlığındaki polivinil alkol kullanılarak, polimerin molekül ağırlığı değişiminin kompozitler üzerindeki etkileri de incelenmiştir. Hidroksiapatit-Kitosan kompozitleri püskürtmeli kurutucu yardımıyla elde edilmiş ve püskürtmeli kurutucu parametrelerinden olan giriş hava sıcaklığının kompozitler üzerindeki etkileri incelenmiştir. Elde edilen tozların karakterizasyonu X-Işınları Difraktometresi (XRD), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Scanning Electron Microscope (SEM), X-ışınları Floresans (XRF) ve partikül boyut (Mastersizer, ZetaPals) analizleri yapılarak incelenmiştir., In this study, hydroxyapatite-polymer materials was produced by using spray dryer. Polyvinyl alcohol and chitosan were used as polymer sources in the content of the work. The composites of hydroxyapatite-polyvinyl alcohol were sythesized by physical mixing and in situ biomimetic methods. Hydroxyapatite-polyvinyl alcohol composites were produced by either being dried in an oven or by using a lab scale spray dryer to compare the different drying methods on the structure of the powders. Additionally, the effect of the molecular weight of polymer on the composite structure was investigated by using different molecular weights of the polyvinyl alcohol. Hydroxyapatite-Chitosan composites were produced by spray drying, and the effect of the drying temperature on the composite structure was investigated. Produced powders were characterized by X-Ray Diffraction (XRD), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Scanning Electron Microscope (SEM), X-ray Fluorescence (XRF) and particle size (Mastersizer, ZetaPals) analyses., Yüksek Lisans, M.Sc.